7) AMPLIFICATEURS, OSCILLATEURS et MELANGEURS

Formation technique – 26/01/05 – Séance n°6
Applications des transistors
• Amplificateur
• Oscillateur
• Mélangeur
F8KGL-F4BJH
Formation technique – 26/01/05 – Séance n°6
F8KGL-F4BJH
1/Amplificateurs
1.1/ Les classes d'amplification
Trois montages fondamentaux existent et qui diffèrent selon la valeur de la tension de repos (en l’absence de
signal). En classe A, le montage le plus répandu, la tension de repos est centrée par rapport au
signal d’entrée. En classe C, la polarisation du signal fait que seule une partie du signal est
amplifiée, le reste du signal est restitué par le circuit oscillant de sortie accordé sur la fréquence du
signal d’entrée. La classe B utilise deux transistors qui amplifient chacun une alternance du signal.
Ce montage est difficile à régler et nécessite des transformateurs et des transistors appairés. Il
existe aussi la classe AB, très répandue et s’apparentant à la classe A, dans laquelle la tension de
repos est inférieure à la tension de repos de la classe A, ce qui augmente le rendement sans trop
détériorer la linéarité.
Classe A
Schéma
+
Classe B
+
Résistance
de charge
S
Classe C
S
T1
+
S
E
E
Fo
+
E
Forme du
signal
amplifié
V est la tension
de repos (sans
signal en entrée)
Us
T2
V
T1
T
V
V
T2
LC
t
La tension de repos est
est amplifié par T1
est restitué par le
centrée par rapport au signal
est amplifié par T2
accordé sur la fréquence
circuit LC
d’entrée
Déphasage
Commentaire
(CW)
Rendement
180°
Montage classique
pas de déphasage
2 transistors, 2 transfos
pas de déphasage
montage peu courant
Génère peu d'harmoniques
car très linéaire
30 à 50 % maximum
peut générer des harmoniques
impaires (3F, 5F, 7F, ...)
50% à 60%
génère des harmoniques
(2F, 3F, 4F, ...)
70 à 80% et +
1.2/ La résistance de charge
(Rc) est le dispositif normalement utilisé en classe A pour récupérer les variations de tension aux bornes du
transistor. Le pont de résistances constitué de R1 et R2 fixe la tension de repos de l’amplificateur.
Les variations de tension de la tension d’entrée passent à travers le condensateur d’entrée, Ce, et
créent les variations de Ib (effet diode de la jonction base-émetteur). Les variations d'Ib créent les
variations d'Ic (Ic = β.Ib) quelle que soit la tension Vce. Ic est traduit en tension sur Rc (U = R.I),
puis récupérée sur le condensateur de sortie, Cs, pour transmettre le signal à l'étage suivant. La
résistance de charge détermine la droite de charge U(+)
de l'amplificateur dont la pente est négative.
Quand Ib est nul, Ic est nul, Ur est nul; la sortie est au potentiel d'alimentation (+). D'autre part, le
courant maximum dans Rc est U(+)/Rc.
Ic
U(+)
Ur
R1
Ib
Entrée
Ce
Vce
Vbe
R2
Courbe de surchauffe
Ic
β = 100
Résistance
de charge
Sortie (=entrée de
l’étage suivant)
Cs
U(+)/Rc
Ib=40 µA
Ib=30 µA
Ib=20 µA
3m A
Ib
30 µA
5V
U (+)
Vce
1V
Vbe
Le graphique est composé de 3 quadrants. Celui du bas représente la variation du courant de base en fonction de
la tension entre base et émetteur : c’est une courbe qui ressemble à celle de la diode en sens
passant. Le quadrant en haut à gauche représente le rapport Ic / Ib, c’est-à-dire le gain (β) du
transistor. Le quadrant de droite représente les valeurs de Ic en fonction de Vce pour des courants
de base fixés. La droite de charge, marquée en pointillé, indique les points de fonctionnement de
l'amplificateur. Cette droite passe par la tension d’alimentation, U(+), et par l’intensité maximale
parcourue par cette résistance, c’est-à-dire U(+)/Rc. Quand on a Ib=30 µA, on a Ic=3 mA (puisque
β=100) et Vce=5 V et pour avoir Ib = 30 µA, il faut une tension Vbe de 1 V. Les courbes sont
données par le constructeur du transistor et la droite de charge (en pointillé) est déterminée par le
montage (la tension d’alimentation du transistor, U(+), et la valeur de la résistance de charge, Rc).
Pour que l’amplificateur soit linéaire, il faut que la partie utilisée de la droite de charge soit dans la
zone où les courbes Ib sont plates. Enfin, la droite de charge ne doit pas dépasser la courbe de
surchauffe donnée par le constructeur. Au delà de cette courbe, la chaleur dégagée par le transistor
(P = Vce x Ic) peut conduire à sa destruction.
En lisant ce graphique, on voit bien que si Vbe est augmenté, Vce sera plus faible, ce qui explique le déphasage
de 180° que génère le montage. Dans cet exemple, l’impédance d’entrée est 1V / 30µA =33 kΩ et
l'impédance de sortie est 5 V / 3 mA = 1666 Ω. Si la tension d’alimentation du circuit, U(+), est
12 V, la résistance de charge aura pour valeur (12 V – 5 V) / 3 mA = 2333 Ω (une résistance de
2200 Ω sera utilisée).
1.3/ Liaisons entre les étages
Les différents étages d'un montage peuvent être liés de différentes manières. En direct, le collecteur est relié à la
base du transistor de l'étage suivant. Pour éviter des problèmes de niveau de tension, on peut
rajouter une ou plusieurs diodes en série dans le cas d’une liaison en courant continu ou un
condensateur dans le cas de courant alternatif. Toujours dans ce cas et pour adapter des
impédances, la liaison par transformateur est utilisée.
1.4/ Amplificateur R.F. (Radio Fréquence)
Cet amplificateur est constitué de circuits spécifiques, en particulier de lignes de découplages (condensateur à la
masse (Cd) et bobine de choc sur l'alimentation) pour éviter les auto-oscillations, de filtres H.F.
(circuit bouchon) et de transformateurs pour adapter les impédances entre les étages.
Rc est une résistance de contre-réaction pour limiter les auto-oscillations du circuit. Les capacités parasites du
circuit (capacité entre les pistes du circuit imprimé par exemple) ou la mutuelle-induction entre les
transformateurs peuvent transformer un amplificateur en oscillateur (voir § 7.5). La résistance de
contre-réaction, en réinjectant une partie du signal amplifié en opposition de phase sur l’entrée,
empêche l’amplificateur d’osciller.
La résistance présente dans le circuit de l’émetteur (notée Re) protège le circuit de l’emballement thermique :
lorsque la température du transistor augmente, son gain augmente, ce qui augmente encore sa
température. Ceci peut conduire à la destruction du transistor ; la résistance Re fait augmenter la
tension d’émetteur lorsque le courant augmente et réduit la tension base-émetteur, réduisant ainsi le
courant de base.
Sortie HF = Entrée de l’étage suivant
Rc
Cd
Choc
Entrée HF
+
Re
Cd
Il arrive souvent qu'un amplificateur RF ne soit pas linéaire. Il y a dans ce cas des distorsions qui peuvent être de
deux types : distorsions de fréquences ou distorsions harmoniques (ou distorsions
d’amplitude). Les deux distorsions sont souvent combinées. Ces distorsions sont plus facilement
lisibles avec des graphiques ayant pour abscisse la fréquence (à la manière d’un analyseur de
spectre).
Signal d'entrée
Signal de sortie
Ampli RF
F1
F2
F3
distorsion de fréquences
F1
F2
F3
Lorsqu’il y a distorsion de
fréquences, le signal de sortie
n'est pas proportionnel au signal
d'entrée : dans notre exemple, les
fréquences élevées sont atténuées
par rapport aux fréquences
basses (mais ce peut être
l’inverse ou encore le cas où une
bande de fréquence est plus
amplifiée que les autres).
Signal de sortie
Dans le cas d'un amplificateur ayant une
distorsion harmonique, s'il n'existe qu'une
fréquence en entrée, plusieurs signaux
harmoniques (en général 2F et 3F, et parfois
plus) seront présents en sortie, à des niveaux plus
faibles. Le taux d'harmonique (en % ou en dB)
est le rapport de la puissance du signal (ou des
signaux) parasite sur le signal désiré. Ces signaux
Signal d'entrée
Ampli RF
F
F
2F
3F
parasites sont produits par la déformation du
signal d’entrée après son passage dans
l’amplificateur (non-linéarité).
Signal d’entrée
distorsion harmonique (ou d’amplitude)
Signal d’entrée amplifié
Signal de sortie
Décomposition du signal de sortie
Le signal d’entrée représenté ci-dessus est appliqué à l’entrée d’un
amplificateur monté en classe A. En sortie, le signal est déphasé de
180° (il est inversé) mais il est aussi déformé (saturation lors de
l’amplification des alternances de sortie positives). L’amplificateur
n’est pas linéaire et il y a une distorsion d’amplitude générant une
harmonique 2. Le signal de sortie est la superposition du signal
d’entrée amplifié et de son harmonique 2.
harmonique 2 générée
signaux
en phase (+)
signaux
en déphase (-)
2/Oscillateur
2.1/ Introduction
Un oscillateur est un circuit générateur de signaux sinusoïdaux de fréquence calculée. Il existe des oscillateurs à
fréquence fixe (à quartz) (VXO) et à fréquence variable. Ces derniers peuvent commandés
mécaniquement avec un CV (VFO), électriquement avec une diode Varicap (VCO) ou
électroniquement avec un synthétiseur PLL (Bouclage de Phase) ou DDS (Synthèse Digitale
Directe de fréquence). Le fréquencemètre mesure la fréquence d’un signal en comptant les
périodes pendant une durée déterminée. Plus cette durée est longue, meilleure sera la précision de
l’instrument de mesure.
Les quartz utilisent l'effet piézo-électrique pour fonctionner. Lorsqu'une pression est exercée sur les faces d'une
lame de quartz, des charges électriques y apparaissent. Inversement, si une tension est appliquée
à ses faces, la lame se dilate ou se contracte selon la polarité appliquée. Le quartz est composé
d'une lame de roche de quartz coincée entre les deux plaques d'un condensateur. La vitesse de
propagation du courant dans la masse du quartz est d'environ 5700 m/s. Lorsque la fréquence de
la tension coïncide avec la fréquence propre du quartz, fréquence liée à ses dimensions, il y a
résonance. Par exemple, une lame de quartz de 0,3mm d'épaisseur (e), résonne en demi-onde
(l'onde fait un aller-retour dans le quartz) sur 9,5 MHz :
F (MHz) = 5,7
=
5,7
= 9,5 MHz
2.e(mm)
2.0,3
2.2/Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement d’un oscillateur repose sur la réinjection en phase d’une partie du signal amplifié
sur l’entrée du circuit. La connaissance des schémas présentés ci-dessous n’est pas au programme
de l’examen. Les facteurs affectant les conditions de stabilité des oscillateurs sont les variations
de la tension d’alimentation, les variations de température des composants (en particulier des
transistors et des quartz) et les défauts de blindage des boîtiers contenant le montage (effet de
main).
+
Sortie HF
+
Cd = condensateur
de découplage +
Cd
Choc
Cd
CV1
CV2
Sortie
HF
Q
Dv1
Sortie
HF
Dv2
+
Tension de commande
Oscillateur à Quartz (VXO), système
VFO système Clapp, la HF est VCO à Varicap système Hartley construit
Colpitts fréquemment utilisé avec les
quartz. Très stable et facile à mettre au réinjectée par le point milieu du autour d’un transistor FET. La HF est
CV. CV1 et CV2 sont les deux réinjectée par la bobine. La bobine de
point, il offre la possibilité d'utiliser le
cages d'un condensateur
choc et le condensateur de découplage,
circuit LC de sortie en multiplicateur de
variable
mécaniquement
liées
Cd, évitent que la H.F. "remonte" dans
fréquence (§7-6).
l'alimentation
2.3/Boucle à verouillage de phase (PLL)
Le schéma synoptique (principe de fonctionnement) d’un PLL (de l’anglais : Phase Lock Loop : boucle à
verrouillage de phase) est représenté ci-dessous. Un VCO génère le signal HF dont la fréquence
dépend de la tension d’entrée du VCO. Une partie du signal HF passe par un diviseur logique
(sortie en 0 ou 1) qui ne peut diviser que par un nombre entier : il envoie une impulsion en sortie
quand il a compté le nombre de période déterminé par les roues codeuses ou le microprocesseur.
Ce signal est comparé à un signal de référence (VXO) dont le fréquence est très stable. En cas de
déphasage, c’est-à-dire si les deux signaux n’apparaissent pas en même temps sur les deux entrées
du comparateur (noté Φ), celui-ci génère une tension de sortie qui corrige la fréquence du VCO. Le
filtre passe bas (généralement un filtre RC) évite les à-coups et stabilise le système. On rappelle
que, pour l’examen, seuls les synoptiques sont à connaître. Le diviseur et le comparateur sont des
circuits intégrés dont le fonctionnement interne n’a pas à être connu. Les schémas d’un VCO et
d’un VXO sont décrits ci-dessus mais n’ont pas à être connus.
Micro-processeur ou
Sortie HF
roues codeuses
δU
δF
VCO
Filtre
passe-bas
Diviseur
δU
Φ
Référence
VXO
Q
Un DDS (de l’anglais : Direct Digital Synthesis : synthèse digitale directe) fonctionne autour d'un
microprocesseur et d'un convertisseur Digital/Analogique. Le synoptique d’un DDS est représenté
ci-dessous. Avec un programme adapté (algorithme), le microprocesseur génère la fréquence par
"échantillonnage". En sortie du microprocesseur, un convertisseur Digital/Analogique (appelé
aussi CNA, convertisseur numérique / analogique) transforme les chiffres issus du microprocesseur
en tension. Le signal est ensuite filtré énergiquement pour éliminer les harmoniques (signaux
"carrés") générées par le convertisseur.
Microprocesseur
3 2 1 0 0 1 2 3 3 2 1 0 0
Convertisseur
Digital
Analogique
3 3
2
1
0 0
Génération de l'échantillonnage
Filtre Passe-bas
Transformation en tension
Sortie HF
Filtrage anti-harmonique
2.3/Multiplicateur
Un multiplicateur est un circuit amplificateur RF monté en classe C (générateur d'harmoniques à cause de sa nonlinéarité intrinsèque) dont le filtre de sortie est accordé sur une des fréquences harmoniques de la
fréquence d'entrée (x2, x3 ou x5 maximum). Si on souhaite multiplier une fréquence par 9, deux
multiplicateurs par 3 seront montés à la suite l’un de l’autre.
Il faut noter que le spectre d'un signal passant par un multiplicateur est modifié. Par exemple, un signal FM
d'excursion de 3 kHz passant dans un doubleur de fréquence aura une excursion de 6 kHz (3x2) à
la sortie du circuit. Ce signal sera encore exploitable par le démodulateur FM ; ce qui n’est pas le
cas d’un signal AM ou BLU passant par un multiplicateur de fréquences : le phénomène
d’étirement du spectre audible rend le signal de sortie inexploitable car très déformé et la nonlinéarité de l’amplificateur écrête le signal.
3/Le mélangeur
Un mélangeur est un circuit multiplicateur de tension (amplificateur non linéaire). Si F1 et F2 sont les deux
fréquences à mélanger, à la sortie du circuit, on obtient la somme et la différence des fréquences,
soit F1+F2 et F1–F2. Un filtre à la sortie du mélangeur permet de sélectionner une des deux
fréquences générées. Les tensions des signaux F1 et F2 ne sont pas superposées (addition) mais
multipliées.
Dans le schéma ci-dessous, les deux fréquences présentes à l’entrée du mélangeur sont HF et Osc. Le graphique à
droite montre le signal à la sortie du mélangeur : il y a superposition des signaux de fréquences
Osc+HF (trait plein) et Osc–HF (en pointillé). Le filtre LC, s’il est calculé pour la fréquence
Osc+HF, éliminera la fréquence Osc–HF.
+
Sortie
Osc
Signal à la sortie d’un mélangeur (avant LC)
LC
HF
+
LC est accordé sur la
fréquence désirée
(Osc +/– HF)
Résultante Osc + HF
Résultante Osc – HF
Exemple : A l'entrée d'un mélangeur, on a deux fréquences : 5 MHz et 8 MHz. Quelles fréquences trouve-t-on à
la sortie du mélangeur ?
1) 5 + 8 MHz = 13 MHz ;
2) 5 – 8 MHz = 8 – 5 MHz = 3 MHz.
Mathématiquement, la relation est : sin(A).sin(B) = 1/2.(sin(A+B)+sin(A-B)). Si le mélangeur ne multiplie pas
exactement les tensions présentes à son entrée, on trouvera en sortie les mélanges « classiques »
F1+F2 et F1-F2 mais aussi les fréquences F1 et F2 ainsi que d’autres combinaisons comme par
exemple (2xF1)+F2 ou (2xF1)–F2 (mélange du 3ème ordre), ce qui peut provoquer des
perturbations si le niveau de ces signaux parasites est élevé.